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03/21/2020

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【上海电力电子展】碳化硅(SiC)功率器件发展现状

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2020年7月1-3日在上海世博展览馆隆重举行,邀您关注今日上海电力电子展新资讯:

       近年来,SiC功率器件的出现大大提升了半导体器件的性能,这对电力电子行业的发展意义重大。据Yole预测,到2023年SiC功率器件市场规模预计将达14亿美元,其主要的市场增长机会在汽车领域,特别是EV、混合动力车和燃料电池车等电动车应用市场。

       与Si器件相比,SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。据了解,SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的50%,发热量只有Si器件的50%,且有更高的电流密度。在相同功率等级下,SiC功率模块的体积显著小于Si功率模块,以智能功率模块IPM为例,利用SiC功率器件,其模块体积可缩小至Si功率模块的1/3~2/3。

       SiC功率半导体器件技术发展近况

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       SiC功率二极管

       SiC功率二极管有3种类型:肖特基二极管(SBD),PIN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD具有较低的结势垒高度。因此,SBD具有低正向电压的优势。SiCSBD的出现将SBD的应用范围从250V提高到1200V。同时,其高温特性好,从室温到由管壳限定的175℃,反向漏电流几乎没有增加。在3kV以上的整流器应用领域,SiCPiN和SiCJBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。

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       SiC MOSFET器件

        Si功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域,是首选的器件。有报道称,已成功研制出阻断电压10kV的SiCMOSFET。研究人员认为,SiC MOSFET在3kV~5kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难,具有较大的电压电流能力的SiCMOSFET的研发还是取得了显著进展。

  另外,有报道介绍,SiC MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是SiCMOSFET的一个显著的问题。

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       碳化硅绝缘栅双极晶体管和碳化硅晶闸管

       阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件,具有良好的正向电流能力。SiC IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比,SiC双极型晶体管具有低20~50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiCBJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT,典型的电流增益在10-50之间。

       关于碳化硅晶闸管,有报道介绍了1平方厘米的晶闸管芯片,阻断电压5kV,在室温下电流100A(电压4.1V),开启和关断时间在几十到几百纳秒。

       总结

       新能源汽车是SiC功率器件的主要增长点,充电桩也是,以直流充电桩为例,据CASA测算,电动汽车充电桩中的SiC器件的平均渗透率达到10%,2018年整个直流充电桩SiC电力电子器件的市场规模约为1.3亿,较2017年增加了一倍多。

       SiC功率器件存在很多优势,未来发展空间也在逐渐增大,不过在发展SiC器件的过程中,还是存在不少问题,从近几年的发展来看,国内外厂商还是研究机构,都在加大投入发展更有的技术和产品,相信未来SiC器件不管在性能还是价格等多方面都会更适应市场需求。

文章来源:电子发烧友


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